交通流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體實(shí)施方案

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種機(jī)動(dòng)車(chē)尤其是私家車(chē)擁有量急劇增加，這使得交通擁擠問(wèn)題在許多大城市顯得十分緊張。尤其對(duì)于早晚交通高峰時(shí)段，一些主要交叉路口處的阻車(chē)長(zhǎng)度可能長(zhǎng)達(dá)上千米，甚至有的阻車(chē)車(chē)長(zhǎng)從一個(gè)交叉路口延伸到另一個(gè)交叉路口，一輛車(chē)通過(guò)一個(gè)交叉路口，可能耗時(shí)半小時(shí)以上，交通擁擠帶來(lái)時(shí)間的浪費(fèi)，給市民的正常生活造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，同時(shí)給對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。而對(duì)于這種情況，應(yīng)該采用交通信號(hào)與交通流量相適應(yīng)的方法，以代替固定周期控制的方法，也就是說(shuō)在交通網(wǎng)絡(luò)中車(chē)流、人流的變化是隨機(jī)的，不同的流量對(duì)綠燈時(shí)間有著不同的要求，因此本項(xiàng)目提出一種根據(jù)各個(gè)路口的交通流量來(lái)控制交通信號(hào)的方法。

本項(xiàng)目計(jì)劃以BQ-VD22 車(chē)輛檢測(cè)器為前端數(shù)據(jù)采集器，以Xilinx公司的SPARTAN系列FPGA為信號(hào)處理和控制中心，設(shè)計(jì)一款實(shí)時(shí)交通流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將交通流量信息發(fā)送到交通控制中心，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)的控制，通過(guò)對(duì)主要道路截面的實(shí)時(shí)車(chē)速、單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入和離開(kāi)某一路段的車(chē)輛數(shù)目等信息的分析和處理，獲得該路段的實(shí)時(shí)交通擁擠程度，然后通過(guò)一對(duì)3G上網(wǎng)卡，將結(jié)果傳送給控制中心，處理結(jié)果以2D平面圖的形式顯示出來(lái)，用顏色的深淺表示各個(gè)路段的擁堵程度，這樣控制中心就可以根據(jù)當(dāng)前各個(gè)路口的交通流量來(lái)控制交通信號(hào)，若是情況緊急，交警也可到道路上實(shí)現(xiàn)交通調(diào)度，這樣便可以實(shí)現(xiàn)交通擁堵問(wèn)題的解決。在本項(xiàng)目中，以機(jī)動(dòng)車(chē)的平均行駛速度、單位時(shí)間內(nèi)各個(gè)車(chē)道平均通過(guò)的車(chē)輛數(shù)等具體參數(shù)作為衡量該路段擁堵程度的特征參量。整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集部分、信號(hào)處理部分、終端顯示部分。原始數(shù)據(jù)來(lái)自多個(gè)BQ-VD22 車(chē)輛檢測(cè)器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)處理部分對(duì)其進(jìn)行一定的分析和處理，提取出終端需要的信息(擁堵程度的特征參量)。終端顯示部分是將前端獲得的結(jié)果在顯示屏上以2D平面圖的形式實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，這樣控制中心就可以很直觀的了解當(dāng)前的交通狀況，以便合理控制交通信號(hào)。信號(hào)處理部分和控制中心的連接通過(guò)無(wú)線傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用一對(duì)3G上網(wǎng)卡是一個(gè)很好的選擇，可以降低開(kāi)發(fā)的難度，提高效率。

2.具體實(shí)施方案

本項(xiàng)目擬采用XILINX公司的Spartan-6開(kāi)發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)。Spartan-6系列可提供的密度從 3,840 個(gè)邏輯單元到 147,443 個(gè)邏輯單元不等，完全可以滿(mǎn)足一般設(shè)計(jì)任務(wù)的需要。在提供全新且更高效的雙寄存器 6 輸入查找表 (LUT) 邏輯的同時(shí)，它還能提供一系列豐富的內(nèi)置系統(tǒng)級(jí)模塊，其中包括 18Kb (2 x 9Kb) Block RAM、第二代 DSP48A1 Slice等。這些都將極大地提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)的效率，使得研究人員可以將主要精力集中在算法創(chuàng)新上。例如，在本項(xiàng)目中需要有大量的FIFO模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)控制中心與各傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸，而Spartan-6開(kāi)發(fā)板最多可以提供268個(gè)雙口Block RAM(存儲(chǔ)容量為18Kb)，可以很容易的實(shí)現(xiàn)FIFO模塊的配置。下面將分別從硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件流程兩個(gè)方面對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行介紹。

2.1硬件結(jié)構(gòu)框圖

本項(xiàng)目的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，硬件平臺(tái)采用XILINX公司的Spartan-6開(kāi)發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)包括三個(gè)部分：前端數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理中心和城市交通指揮控制中心。

數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)采用BQ-VD22 車(chē)輛檢測(cè)器為基本單元，將多個(gè)檢測(cè)器埋設(shè)在關(guān)鍵路段和主要路口，就可以實(shí)時(shí)測(cè)量出路面上各個(gè)點(diǎn)的車(chē)輛行駛速度和行車(chē)方向。各個(gè)檢測(cè)器之間通過(guò)地址碼來(lái)進(jìn)行區(qū)別，通過(guò)有線或者是無(wú)線的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理中心之間通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

數(shù)據(jù)處理中心的主要任務(wù)是讀取前端傳感器采集的數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的算法進(jìn)行處理，提取出可以表示交通流量的特征參數(shù)，然后通過(guò)無(wú)線收發(fā)設(shè)備傳給指揮控制中心，以便其進(jìn)行紅綠燈控制和交警的現(xiàn)場(chǎng)指揮。這些數(shù)據(jù)處理任務(wù)均由Spartan-6開(kāi)發(fā)板來(lái)完成，豐富的接口資源使得系統(tǒng)可以很容易與前后模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。Spartan-6 FPGA 系列開(kāi)發(fā)板擁有眾多定制低功耗專(zhuān)用的 DSP Slice，可以用來(lái)完成本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一些數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程，在保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性的同時(shí)還具有高速度與小尺寸等優(yōu)異特性。

數(shù)據(jù)處理中心的另一個(gè)任務(wù)是負(fù)責(zé)與城市交通指揮控制中心的信息傳輸，即將處理得到的結(jié)果傳送給指揮中心，以便于指揮中心進(jìn)行各個(gè)路段的交通燈控制和調(diào)整交警的警力部署。為了使用戶(hù)能夠非常直觀明了的獲得監(jiān)測(cè)結(jié)果，在控制中心以平面圖的形式將結(jié)果顯示很有必要，這可以由自制的液晶顯示電路或者是PC機(jī)來(lái)完成。兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸可以采用3G無(wú)線收發(fā)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就可以使用現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)，有效性和可靠性均可得到保障。

圖1 系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2軟件流程圖

本項(xiàng)目的軟件流程圖如圖2所示。為了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方便，我們將整個(gè)系統(tǒng)的工作流程分為兩個(gè)部分——數(shù)據(jù)采集處理主程序和數(shù)據(jù)傳輸子程序。其中，數(shù)據(jù)采集處理主程序需要實(shí)現(xiàn)的功能是將前端傳感器采集的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)，然后根據(jù)相應(yīng)的算法進(jìn)行處理，最后將結(jié)果保存在制定的存儲(chǔ)地址內(nèi)。數(shù)據(jù)傳輸子程序的功能是將實(shí)時(shí)處理的結(jié)果通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送給移送終端。考慮到應(yīng)盡量減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時(shí)兼顧到實(shí)際路段上的交通流的變化速率，此處我們?cè)O(shè)置為每?jī)擅胂蚪K端發(fā)送一次更新。

圖2 數(shù)據(jù)處理部分的軟件流程圖

3.創(chuàng)新點(diǎn)

1. 通過(guò)對(duì)多個(gè)傳感器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合獲得主要道路交通流量的特征參量，其結(jié)果與實(shí)際情況比較符合，可靠性較高。

2. 數(shù)據(jù)處理部分與控制中心之間的連接采用一對(duì)3G上網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以保證信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。而且，由于采用的是現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)，不需要考慮信道分配、頻譜資源等問(wèn)題，設(shè)計(jì)效率較高。

3. 在控制中心，處理結(jié)果以2D平面圖的形式顯示出來(lái)，用顏色的深淺來(lái)表示各個(gè)路段的交通流量的大小，非常的直觀明了，易于用戶(hù)操作。

4. 平臺(tái)具有一定的通用性，對(duì)終端程序稍作修改就用來(lái)能實(shí)現(xiàn)一些其它的應(yīng)用，例如流量監(jiān)測(cè)、OD調(diào)查等。